12、染料敏化太阳能电池与忆阻器技术解析

染料敏化太阳能电池与忆阻器技术解析

1. 染料敏化太阳能电池(DSSC)原理概述

DSSC 中,染料负责吸收光线。在染料和对电极之间,通过包含氧化还原对的电解质溶液形成电荷转移通道。光照下,激发态的染料产生激子,激子在半导体与染料的界面分离,电子进入半导体的导带,然后通过 DSSC 光阳极纳米结构网络传输到外部负载。被氧化的染料分子带有空穴(e⁺),会被电解质中的还原成分还原,这确保了对电极处持续产生还原物种(I₃⁻)并为染料分子提供电子。为了有效捕获光能,染料需要具备较宽的吸收范围,从近红外到可见光波段。

由于 DSSC 结构涉及多种块状材料,存在如固 - 固、固 - 液等非常规界面,且电荷转移的动力学差异很大,难以建立一个全面涵盖所有复杂情况的数学模型,因此需要对众多物理过程进行细致研究。

2. 器件物理概述
  • 激子分离 :光子被敏化剂吸收并转化为激子。在染料 - 半导体界面,由于电子亲和性差异,扩散的激子分裂成空穴和电子。这要求染料的最低未占据分子轨道(LUMO)适当高于半导体的导带,以使激子能够分裂。DSSC 的光伏效应源于电子亲和性差异形成的固有操作场,而非通常认为的功函数差形成的内置静电场。能带弯曲被认为是 DSSC 光电压的来源,在两种机制中都普遍存在。
  • 电荷分离与复合 :激子在半导体 - 染料界面通过电子注入到半导体而分离,空穴留在染料中并被电解质的还原物种不断清除。电荷分离过程非常高效,发生在皮秒(10⁻⁹)级的瞬间。注入的电子在穿过半导体网格到达前接触时,主要的损失机制是与染料中的空穴和电解质的氧化物种复合。复合速率控制着电荷
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